确定和/或校准楔焊机上的切割器高度的方法以及相关的楔焊机

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年5月20日提交的美国临时申请第63/191,286号的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及确定和/或校准楔焊机(wedge bonding machine)上的切割器高度的方法以及相关的楔焊机。

背景技术

在半导体封装行业和其他需要电气互连的行业中，线焊和带焊是使用焊线机的广泛采用的技术。在有关线焊和带焊的操作中，使用各种类型的能量(例如，超声波能量、热声波能量、热压缩能量等)将线材/条带的末端部分焊合到第一焊合位置。在第一焊合位置形成第一焊合部后，将一段长度的线材/条带延伸到第二焊合位置，以及然后在第二焊合位置形成第二焊合部。线材环是包括至少第一焊合部和第二焊合部的结构。

在传统线焊(例如，球焊、楔焊、带焊等)中用于线材/条带的示例性导电材料包括铝、铜、金等。

在楔形和带焊操作中，切割工具(“切割器”)可用于在形成线材结构(例如，线材环)后切割线材或条带。这种切割器具有楔焊机上的相对高度(例如，相对于楔焊工具)。例如，该相对高度可能会因磨损和/或更换切割器而改变。

因此，希望提供用于确定和/或校准楔焊机上的切割器高度的改进的方法。

发明内容

根据本发明的示例性实施例，提供一种确定楔焊机上的切割器高度的方法。该方法包括以下步骤：(a)使楔焊工具/楔焊劈刀朝向所述楔焊机上的表面下降；(b)在所述楔焊工具接触所述表面时确定第一高度测量值；(c)使所述楔焊机的切割器/刀具相对于所述楔焊工具下降；(d)在所述切割器接触所述表面时确定第二高度测量值；以及(e)使用所述第一高度测量值和所述第二高度测量值确定切割器高度。

根据本发明的另一示例性实施例，提供另一种确定楔焊机上的切割器高度的方法。该方法包括以下步骤：(a)使楔焊工具朝向楔焊机上的表面移动，所述表面与弹簧组件是一体的；(b)在所述楔焊工具接触所述表面时确定第一高度测量值；(c)在所述楔焊工具与所述表面之间的接触之后，通过使所述楔焊工具进一步向下下降，压缩所述弹簧组件的弹簧部；(d)使所述楔焊工具和所述表面升高，同时使步骤(c)之后的弹簧部伸展，直至所述切割器与所述表面接触；(e)在所述切割器接触所述表面时确定第二高度测量值；以及(f)使用所述第一高度测量值和所述第二高度测量值确定切割器高度。

根据本发明的另一示例性实施例，提供另一种确定楔焊机上的切割器高度的方法。该方法包括以下步骤：(a)使楔焊工具朝向楔焊机上的表面下降，所述表面与弹簧组件是一体的；(b)在所述楔焊工具与所述表面之间的接触之后，通过使所述楔焊工具进一步向下下降，压缩所述弹簧组件的弹簧部；(c)在所述楔焊工具与所述表面之间的接触之后，通过使所述楔焊工具进一步向下下降，压缩所述弹簧组件的弹簧部；以及(d)在所述切割器接触所述表面时确定高度测量值。

根据本发明的又另一示例性实施例，提供另一种确定楔焊机上的切割器高度的方法。该方法包括以下步骤：(a)使楔焊工具和所述楔焊机上的表面中的至少一个相对于彼此移动；(b)在所述楔焊工具接触所述表面时确定第一高度测量值；(c)使所述楔焊机的切割器和所述表面中的至少一个相对于彼此移动；(d)在所述切割器接触所述表面时确定第二高度测量值；以及(e)使用所述第一高度测量值和所述第二高度测量值确定切割器高度。

根据本发明的又另一示例性实施例，提供一种确定楔焊机上的切割器的切割概况(cutting profile)的方法。该方法包括以下步骤：(a)确定所述楔焊机上的切割器高度；(b)使用在步骤(a)中确定的所述切割器高度确定所述楔焊机上的切割器的切割概况。

根据本发明的其他示例性实施例，提供一种楔焊机。这种楔焊机包括上述与确定楔焊机上的切割器高度的方法相关的要素。这种楔焊机可以包括本申请中引用的任何其他要素，包括例如用于检测楔焊工具(和/或切割器)与表面之间的接触的载荷传感器，用于检测楔焊工具(和/或切割器)与表面之间的电气连续性的电气检测系统，包含本文所述表面的弹簧组件等。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本发明。需要强调的是，根据惯例，附图的各种特征不是按比例缩放的。相反，为了清晰起见，各种特征的尺寸被任意扩展或缩小。附图中包括以下图：

图1是楔焊机的框图侧视图，该楔焊机用于执行与本发明的各种示例性实施例相关的方法；

图2A至图2D是一系列框图，示出根据本发明的示例性实施例的确定楔焊机上的切割器高度的方法；

图3A至图3E是一系列框图，示出根据本发明的示例性实施例的确定楔焊机上的切割器高度的另一方法；

图3F至图3I是一系列框图，示出根据本发明的示例性实施例的确定楔焊机上的切割器高度的另一方法；

图4A至图4D是一系列框图，示出根据本发明的示例性实施例的确定楔焊机上的切割器高度的又另一方法；

图5A至图5D是一系列框图，示出根据本发明的示例性实施例的确定楔焊机上的切割器的切割概况的方法；

图6、图7A至图7B、和图8是流程图，示出根据本发明的各种示例性实施例的确定楔焊机上的切割器高度的各种方法；

图9是流程图，示出根据本发明的示例性实施例的确定楔焊机上的切割器的切割概况的方法。

具体实施方式

根据本发明的特定示例性实施例，提供确定和/或校准楔焊机上的切割器高度(例如，切割器相对于楔焊工具的相对切割器高度)的方法。通过准确知道切割器高度(例如，在楔焊机上更换切割器时切割器高度会发生变化)，可以操作(例如，编程)楔焊机以适应切割器高度的变化值。

本发明的各方面涉及确定从楔焊机上的先前切割器更换为新切割器(例如，切割器可以被认为是消耗件)时的切割器高度。根据本发明的其他方面，切割器高度可以以某种预定的间隔确定。

根据本发明的特定示例性方面，取代包括切割器开始切割到线材/条带表面所必须行进的距离以及切割器切割进入线材/条带的深度(其必须针对每次更换的切割器刀片进行调整)的组合值，本发明的示例性方法(例如，切割器校准方法)将距离分为(i)焊合工具上方的校准的切割器高度(相对于线材/条带位置的切割起点)和(ii)进入线材/条带的实际切割深度。这种方法允许切割深度值成为独立于切割器的变量。因此，切割深度值可以作为切割器老化的函数进行调整。

本发明的示例性方面涉及在设置过程中使用主动力和/或位置反馈来校准切割器。这种方法可适用于线材切割和条带切割工艺二者。例如：(i)焊合工具后跟与载荷传感器接触的切割器——当感测到接触时，读出切割器位置；(ii)焊合工具后跟接触硬表面的切割器，其使用运动控制系统的电机电流作为反馈机制；以及(iii)焊合工具后跟接触硬表面的切割器，其使用运动控制系统的跟随误差作为反馈机制。当然，其他方法也在本发明的范围内。

通过本发明的各个方面，在更换切割器后提供简化和自动化的切割器高度测量和/或校准。此外，可以消除在确定切割器高度方面操作员的影响。

目前，与切割器高度相关的确定是手动过程，该过程很大程度上取决于操作员的干预。本文所述的本发明方法涉及自动化的切割器高度确定。

本文所用的术语“切割器高度”是楔焊工具的接触部与切割器的末梢部分之间的距离。在本文的特定图示中，切割器高度被标记为“RCH”(相对切割器高度)。切割器高度可以被认为是切割器与楔焊工具之间的相对高度。根据本发明的各方面确定的切割器高度的示例范围是：100-2500微米；300-1500微米；以及400-1200微米。当然，也预想到不同的切割器高度范围。

根据本发明的特定方面，可以确定切割器的切割概况，其中这种切割概况可以利用在楔焊机上更换切割器后确定的切割器高度。切割概况包括在给定应用中要施加的切割的量(例如，切割深度)。切割概况还可以包括其他要素，诸如时间和力(例如，切割深度与切割过程中施加的时间、力等的对比关系)。可与确定切割概况关联使用的另一个值是在楔形工具的焊合表面下方延伸的那部分线材的高度(例如，参见图5B至图5D中的h

图1示出楔焊机100。正如本文所解释的，并且正如本领域技术人员所理解的那样，图1所示的特定元件是可选的；也就是说，并不是图1所示的所有元件均包括在本发明范围内的各个有创造性的楔焊机中。楔焊机100包括机器结构102(例如，工件支撑结构，或其他结构)和机器结构102上的接触结构104。接触结构104包括表面104e，该表面被配置成与有关本发明的各个方面的高度测量相关地使用。接触结构104可以是被配置成被线焊的基板或工件，或者是专门配置与本发明相关地使用的不同的接触结构(例如，校准或测量站)。接触结构104可以根据应用而变化(例如，参见图2A至图2D中的接触结构104'，图3A至图3E和图3F至图3I中的接触结构104”，图4A至图4D中的接触结构104”'等)。

在本发明的特定实施方式中，接触结构104可以包括其他示例性元件，例如：力(载荷)传感器104a(例如，用于确定楔焊工具106与表面104e之间的接触，和/或用于确定切割器108与表面104a之间的接触)；电气连续性检测器104b(例如，用于感测包括楔焊工具106和表面104e的电路的完成，用于确定它们之间的接触，和/或用于感测包括切割器108和表面104e的电路的完成，用于确定它们之间的接触)；弹簧组件104c(例如，参见图3A至图3E和图3F至图3I所示的弹簧组件的弹簧部150)；以及接触结构运动系统104d(例如，用于沿z轴移动接触结构，如图4B至图4D所示)。

楔焊机100还包括焊合头组件110，该焊合头组件110携载楔焊工具106(包括具有接触表面106a1的工作端106a)和切割器108(包括切割器末梢108a)。使用z轴运动系统114使焊合头组件110沿楔焊机100的z轴移动。切割器108也可使用z轴运动系统114沿楔焊机100的z轴移动；然而，可以任选地包括切割器z轴运动系统116以沿z轴移动切割器(而不是使用或附加使用z轴运动系统114)。

焊合头组件110包括换能器110a，并且可以包括以下中的一种或多种：力(载荷)传感器110b(例如，用于确定楔焊工具106和表面104e之间的接触，和/或用于确定切割器108和表面104e之间的接触)；电气连续性检测器110c(例如，用于感测包括楔焊工具106和表面104e的电路的完成，用于确定它们之间的接触，和/或用于感测包括切割器108和表面104e的电路的完成以用于确定它们之间的接触)；z轴位置检测器110d(例如，z轴编码器，用于确定z轴运动系统的一部分的高度)；超程z轴位置检测器110e(例如，z轴编码器，用于确定z轴运动系统的超程机构的一部分的高度)；以及超程机构110f。

如本领域技术人员所理解的，超程机构110f提供了切割器相对于楔焊工具的独立的特定运动。例如，如下所述：超程机构110f允许切割器108独立于楔焊工具106而向下移动，如图2C和图2D所示；超程机构110f允许楔焊工具106独立于切割器108而向上移动，如图3D和图3E所示；超程机构110f允许楔焊工具106独立于切割器108而移动，如图3H和图3I所示；以及，超程机构110f允许楔焊工具106独立于切割器108而向上移动，如图4C和图4D所示。

楔焊机100还包括计算机112(其表示一个或多个本地或远程计算系统)。计算机112与z轴运动系统114和焊合头组件110的元件进行通信，用于数据收集和控制。例如，计算机112(例如，从编码器)接收与用于确定切割器高度的z轴高度测量相关的信息。

图2A至图2D是一系列框图，示出确定楔焊机100上的切割器高度的方法。在图2A中，楔焊工具106(图2A中仅示出末梢部分106a)和切割器108定位于接触结构104'的表面104e'上方。尽管在图2A中不完全可见，楔焊工具106限定了用于接收线材的凹槽106b，凹槽106b具有顶端(peak)106b1。在图2B中，(例如，使用z轴运动系统114)使楔焊工具106朝向表面104e'下降。在图2C中，楔焊工具106的接触表面106a1已经接触表面104e'。此时(例如，使用z轴位置检测器110d、诸如z轴运动系统的编码器)确定第一高度测量值(h1)。然后，(例如，使用z轴运动系统114和超程机构110f)使切割器108相对于楔焊工具106下降。例如，由于超程机构110f(例如，参见图1)，能够在图2C中所示的接触之后使切割器108下降。在图2D，切割器108的末梢部分108a接触表面104e'。此时(例如，使用z轴位置检测器110d、诸如z轴运动系统的编码器)确定第二高度测量值(h2)。使用h1和h2，可以确定切割器高度。

图3A至图3E是一系列框图，示出确定楔焊机100上的切割器高度的另一方法。在图3A中，楔焊工具106(图3A中仅示出末梢部分106a)和切割器108定位于接触结构104”的表面104e”上方。尽管在图3A中不完全可见，楔焊工具106限定了用于接收线材的凹槽106b，凹槽106b具有顶端106b1。在图3A中，弹簧组件(包括弹簧部150)与表面104e”是一体的。更具体地说，弹簧部150设置在接触结构104”与机器结构102”之间。在图3B中，(例如，使用z轴运动系统114)使楔焊工具106朝向表面104e”下降。在图3C中，楔焊工具106的接触表面106a1已经接触表面104e”。此时(例如，使用z轴位置检测器110d、诸如z轴运动系统的编码器)确定第一高度测量值(h1)。此时，使楔焊工具106进一步下降，以压缩弹簧部150直至达到中间高度(即，在图3D中标记为h

在图3A至图3E的实施方式中，第一高度测量值和第二高度测量值被确定并用于提供切割器高度。然而，如图3F至图3I所示，在特定实施方式中，可以使用单个高度测量来测量切割器高度(例如，因为测量、诸如超程测量可以在已知或零参考值处开始)。具体参见图3F，楔焊工具106(图3A中仅示出末梢部分106a)和切割器108定位于接触结构104”的表面104e”上方。尽管在图3F中不完全可见，楔焊工具限定了用于接收线材的凹槽106b，凹槽106b具有顶端106b1。在图3F中，弹簧组件(包括弹簧部150)与表面104e”是一体的。更具体地说，弹簧部150设置在接触结构104”与机器结构102”之间。在图3G中，(例如，使用z轴运动系统114)使楔焊工具106朝向表面104e”下降。在图3H中，楔焊工具106的接触表面106a1已经接触表面104e”。此时，使楔焊工具106进一步下降以压缩弹簧部150。然后，如图3I所示，使切割器108相对于楔焊工具106和表面104e”下降，直至切割器108的末梢部分108a与表面104e”接触。此时(例如，使用z轴位置检测器110d、诸如z轴运动系统的编码器或超程编码器)确定高度测量值(h1)。这个高度测量值可以被认为是切割器高度，或者用于推导切割器高度。

图4A至图4D是一系列方框图，示出确定楔焊机100上的切割器高度的方法，其中楔焊机包括用于移动接触结构104”'的接触结构运动系统104d(例如，见图1)。在图4A中，楔焊工具106(图4A中仅示出末梢部分106a)和切割器108定位于接触结构104”'的表面104e”'上方。尽管在图4A中不完全可见，楔焊工具106限定了用于接收线材的凹槽106b，凹槽106b具有顶端106b1。在图4B中，(例如使用接触结构运动系统104d)使接触结构104”'朝向楔焊工具106升高。在图3C中，楔焊工具106的接触表面106a1已经接触表面104e”'。此时(例如，使用z轴位置检测器110d、诸如z轴运动系统的编码器)确定第一高度测量值(h1)。然后，(借助超程机构110f)使接触结构104”'在与楔焊工具106接触的同时进一步升高；即，使用接触结构运动系统104d使接触结构104”'进一步升高，直至表面104e”'与切割器108的末梢部分108a接触(如图4D所示)。此时(例如，使用z轴位置检测器110d、诸如z轴运动系统的编码器)确定第二高度测量值(h2)。使用h1和h2，可以确定切割器高度。

根据本发明，切割器高度可以与楔焊机上的后续切割操作关联使用(例如，与切割器深度值结合使用)。在一个具体的示例中，切割器高度可以与为楔焊机上的切割器提供切割概况关联使用。图5A至图5D示出确定这种切割概况的示例性方法。图5A指示切割器高度被确定(例如如图2A至图2D、图3A至图3E、图3F至图3I、图4A至图4D，或使用包括在本发明范围内的方法的任何其他方法)。在确定切割器高度之后，线材118与楔焊工具106接合。例如，在图5B中，楔焊工具106(图5B中仅示出末梢部分106a)和切割器108定位于结构120的表面120a上方。尽管在图5B中不完全可见，楔焊工具106限定了用于接收线材118的凹槽106b，凹槽106b具有顶端106b1。在该位置，线材118与焊线工具106接合。在该位置，线材118的一部分在楔焊工具106的接触表面106a1下方延伸。线材118的这一部分的尺寸在图5B中标记为h

图6至图8是流程图，示出根据本发明的确定楔焊机上的切割器高度的各种示例性方法。图9是流程图，示出根据本发明的确定楔焊机上的切割器的切割概况的示例性方法。如本领域技术人员所理解的，可以省略流程图中包括的特定步骤；可以添加特定附加步骤；并且步骤的顺序可以从所示的顺序发生改变——所有这些都在本发明的范围内。

现在参考图6，在步骤600，将线材从与楔焊工具的接合中移除。也就是说，如果线材与楔焊工具接合(例如，在楔焊工具的工作端下方)，则将该线材从其位置移除。在步骤602，(例如，使用其xyz运动系统)将(例如，携载楔焊工具和切割器的)焊合头移动到测试位置。测试位置可以是例如楔焊机上所需的任何位置。在步骤604，使楔焊工具朝向楔焊机上的表面下降(例如，参见图2B)。在步骤606，在楔焊工具接触表面时，确定第一高度测量值(例如，参见图2C中的高度h1的确定)。在步骤608，使切割器相对于楔焊工具下降，并且在步骤610，当切割器接触表面时确定第二高度测量值(例如，参见图2D中的高度h2的确定)。在步骤612，使用第一高度测量值和第二高度测量值(例如，通过确定第一高度测量值与第二高度测量值之间的差异)确定切割器高度。

现在参考图7A，在步骤700，将线材从与楔焊工具的接合中移除。也就是说，如果线材与楔焊工具接合(例如，在楔焊工具的工作端下方)，则将该线材从其位置移除。在步骤702，(例如，使用其xyz运动系统)将(例如，携载楔焊工具和切割器的)焊合头移动到测试位置。测试位置可以是例如楔焊机上所需的任何位置。在步骤704，使楔焊工具朝向楔焊机上的表面下降(例如，参见图3B)，其中表面与弹簧组件是一体的。在步骤706，在楔焊工具接触表面时，确定第一高度测量值(例如，参见图3C中的高度h1的确定)。在步骤708，在楔焊工具与表面之间的接触之后，通过进一步使楔焊工具下降来压缩弹簧组件的弹簧部(例如，参见图3D)。在步骤710，在步骤708之后，使楔焊工具和表面升高，同时使弹簧部伸展，直至切割器与表面接触。在步骤712，在切割器接触表面时，确定第二高度测量值(例如，参见图3E中的高度h2的确定)。在步骤714，使用第一高度测量值和第二高度测量值(例如，通过确定第一高度测量值与第二高度测量值之间的差异)确定切割器高度。

现在参考图7B，在步骤750，将线材从与楔焊工具的接合中移除。也就是说，如果线材与楔焊工具接合(例如，在楔焊工具的工作端下方)，则将该线材从其位置移除。在步骤752，(例如，使用其xyz运动系统)将(例如，携载楔焊工具和切割器的)焊合头移动到测试位置。测试位置可以是例如楔焊机上所需的任何位置。在步骤754，使楔焊工具朝向楔焊机上的表面下降(例如，参见图3G，并且在图3H接触)，其中表面与弹簧组件是一体的。在步骤756，在楔焊工具与表面之间的接触之后，通过进一步使楔焊工具下降来压缩弹簧组件的弹簧部(例如，参见图3I)。在步骤758，使切割器相对于楔焊工具和表面下降，直至切割器与表面接触(例如，也参见图3I)。在步骤760，在切割器接触表面时，确定一高度测量值(例如，参见图3I中的高度h1的确定)。这个高度测量值被用于确定切割器高度。

现在参考图8，在步骤800，将线材从与楔焊工具的接合中移除。也就是说，如果线材与楔焊工具接合(例如，在楔焊工具的工作端下方)，则将该线材从其位置移除。在步骤802，(例如，使用其xyz运动系统)将(例如，携载楔焊工具和切割器的)焊合头移动到测试位置。测试位置可以是例如楔焊机上所需的任何位置。在步骤804，使楔焊工具和表面中的至少一个相对于彼此移动(参见图2B中的楔焊工具106的移动，或者图4B中的表面104e”'的移动)。在步骤806，在楔焊工具接触表面时，确定第一高度测量值(例如，参见图2C中的高度h1的确定，或者图4C中的高度h1的确定)。在步骤808，使切割器和表面中的至少一个相对于彼此移动(参见图2D中的切割器108的移动，或者图4D中的表面104e”'的移动)。在步骤810，在切割器接触表面时，确定第二高度测量值(例如，参见图2D中的高度h2的确定，或者图4D中的高度h2的确定)。在步骤812，使用第一高度测量值和第二高度测量值(例如，通过确定第一高度测量值与第二高度测量值之间的差异)确定切割器高度。

现在参考图9，在步骤900，将线材从与楔焊工具的接合中移除。也就是说，如果线材与楔焊工具接合(例如，在楔焊工具的工作端下方)，则将该线材从其位置移除。在步骤902，(例如，使用其xyz运动系统)将(例如，携载楔焊工具和切割器的)焊合头移动到测试位置。测试位置可以是例如楔焊机上所需的任何位置。在步骤904，确定楔焊机上的切割器高度。切割器高度可以根据需要使用任何技术(例如，图2A至图2D的方法、图3A至图3E的方法、图3F至图3I的方法、以及图4A至图4D的方法等)来确定。在步骤906，使用在步骤904中确定的切割器高度来确定切割概况。

可以添加附加步骤。例如，在楔焊工具下方延伸的那部分线材(例如，参见图5B至图5D)也可以与确定切割概况关联使用。在这种情况下，在步骤904之后，线材与楔焊工具接合(例如，定位在楔焊工具的工作端下方)——基本上颠倒步骤900。然后，使楔焊工具(带有与其接合的线材)朝向楔焊机上的表面下降(例如，参见图5C)。然后，在线材接触表面时，确定高度测量值(例如，在图5D的高度)——其中这个高度测量值提供与图5B中所示的h

如本领域技术人员将理解的，可以相对于给定结构示出各种高度测量值，但这只是说明性的。例如，在图2C中，相对于切割器108的末梢部分108a示出高度h1。同样，在图2D中，相对于切割器108的末梢部分108a示出高度h2。然而，这些高度测量(即h1和h2)可以相对于各种结构进行，只要结果是可以确定切割器高度(例如，图2B中所示的RCH)即可。

如本领域技术人员将理解的，本文所描述的各种高度测量值(例如h1、h2、h

尽管本发明的各种实施例是关于包括被配置为接收线材的凹槽(例如，凹槽106b)的楔焊工具来说明的，但是会理解，本发明可应用于具有或不具有凹槽的任何类型的楔焊工具(包括带焊工具)。

尽管本文参考具体实施例来说明和描述本发明，但本发明并不旨在局限于所示的细节。相反，在不脱离本发明的情况下，可以在权利要求的等价物的范围和界限内对细节进行各种修改。